Condutture Idrauliche a Forma di U Rovesciata: Funzionamento e Aerodinamica Sperimentale

All'inizio del secolo scorso, la letteratura scientifica sulle condutture idrauliche a forma di U rovesciata era estremamente limitata. Con il rapido sviluppo dell'aviazione, è nata la necessità di effettuare ricerche sistematiche, sia tecniche che pratiche, nel campo dell'aerodinamica.

Aerodinamica Sperimentale

Nell'analizzare questo argomento, ripercorreremo brevemente il percorso compiuto, iniziando dalle esperienze che hanno accompagnato lo sviluppo della teoria.

Cenno sulla Similitudine Meccanica

Negli studi sperimentali di aerodinamica, si ricorre spesso a modelli per semplificare la costruzione e l'esecuzione degli esperimenti. Il modello è utile in molti congegni meccanici, ma è particolarmente prezioso nelle esperienze di aerodinamica perché consente di evidenziare l'influenza reciproca dei vari organi, comunemente chiamata "ombra" o "induzione aerodinamica" di ciascun elemento costituente la macchina sugli altri.

Per interpretare le esperienze eseguite sui modelli, è necessario fare appello al principio di similitudine meccanica. Scelte come fondamentali la lunghezza L, la densità D e la velocità V, tutte le altre grandezze che entrano nelle equazioni del moto dei fluidi avranno dimensioni in rapporto alle grandezze scelte. Ad esempio, le dimensioni della forza saranno L²DV² e le dimensioni della pressione unitaria saranno DV².

Prescindendo dalle cause perturbatrici, i rapporti α, δ, ϕ sono arbitrari. Pertanto, per studiare il moto di un corpo in un certo fluido a una certa velocità, si potrebbe studiare quello di un altro corpo, geometricamente simile e similmente orientato, ma di dimensioni qualsiasi, che si movesse in un fluido qualunque ad una velocità qualunque.

In pratica, però, la scelta di α, δ, ϕ non è arbitraria perché questi tre rapporti non sono indipendenti l'uno dall'altro a causa delle accennate perturbazioni nell'applicazione generica del principio.

Fattori da Considerare

1. Gravità: Per mantenere la similitudine, si assume che l'accelerazione di gravità resti la stessa nei due movimenti, quindi ϕ = √α. Ciò significa che, volendo realizzare in piccolo un'esperienza, bisogna ridurre la velocità d'esperienza nel rapporto delle radici quadrate delle dimensioni lineari.
2. Viscosità: La viscosità è la resistenza tangenziale che uno strato di fluido esercita su quello attiguo, opponendosi allo scorrimento. Il coefficiente di viscosità μ è la forza riferita a una superficie unitaria e all'unità di variazione della velocità nei punti di detta normale. Quindi, per mantenere la similitudine, il coefficiente di viscosità deve essere moltiplicato per α, δ, ϕ.
3. Compressibilità: Per tenerne conto, si suppone che il fluido sia un gas perfetto e si trascurano la gravità e la viscosità. Se i movimenti sono adiabatici si adopereranno fluidi nei quali il rapporto dei calori specifici sia lo stesso in modo che m non cambi. perciò, se le esperienze del modello si fanno nello stesso fluido del vero alla stessa densità e temperatura (e quindi alla stessa pressione), sarà γ = δ = 1 e quindi ϕ = 1.

Principio del Moto Relativo

Se un corpo C immerso in una massa fluida M indefinita è in moto rettilineo ed uniforme a velocità V, nel fluido avviene un certo movimento in conseguenza del quale il corpo risente una resistenza Rm. Poiché il moto relativo del corpo rispetto al fluido è rimasto lo stesso, non si verificherà alcun cambiamento nelle forze in gioco, quindi si dovrà teoricamente avere la stessa resistenza. Pertanto, invece di sperimentare con il corpo in moto alla velocità V nell'aria ferma, è possibile tenere fermo il corpo e far muovere contro di esso il fluido con velocità -V.

In una prima approssimazione, è possibile adoperare questa seconda via sperimentale che presenta rilevantissimi vantaggi di economia e di comodità di lavoro.

Misura della Velocità

Uno dei primi problemi affrontati dagli sperimentatori è la misura della velocità di un fluido. Misurare la velocità del corpo, a fluido fermo, è relativamente facile, mentre la misura della velocità della corrente d'aria che investe il corpo fermo presenta notevoli difficoltà.

Strumenti di Misura (Pneumometri)

Gli strumenti utilizzati, detti pneumometri, derivano dal tubo di Pitot. Per tener conto della pressione statica dell'ambiente, si sono escogitati molti dispositivi, come quello che consiste nell'avvolgere la parte ripiegata del tubo di Pitot con un cilindro con forellini in comunicazione con l'altra estremità del manometro ad U.

Il tenente Arturo Crocco inventò nel 1903 un istrumento destinato a misurare non solo la intensità, ma anche la direzione della velocità utilizzando il pneumometro Krell. Crocco osservò che quando le facce del disco giacevano nel letto della corrente, le pressioni ai due fori si equivalevano, costruendo così un pneugoniometro, adatto sia a dare la misura della direzione della velocità come intersezione di due giaciture, sia quella della intensità con una rotazione di 90 gradi rispetto alla detta direzione.

Un altro strumento utilizzato per la misura della velocità è il tubo di Venturi, costituito da due coni tronchi riuniti per la loro base minore. Nel restringimento formato nella riunione delle basi l'aria acquista velocità maggiore per la diminuzione di sezione: la conseguente forte depressione è condotta ad una delle estremità del solito manometro ad U, la cui seconda estremità è collegata ad un piccolo tubo di Pitot collocato verso l'apertura maggiore del cono esposto alla corrente.

Manometri e Depressiometri

Oltre al tubo ad U, si utilizzano strumenti vari derivati dallo stesso principio ma adattati alle speciali esigenze. Per esempio, si suole dare ad uno dei rami del tubo una capacità molto grande e all'altro una forma di mezza parabola col vertice tangente all'orizzonte per avere una escursione della colonna liquida abbastanza sensibile alle basse velocità alle quali corrisponde una pressione molto piccola.

La sensibilità di tal mezzo di misura è grandissima. Esso è stato anche utilizzato con successo per determinare la direzione della velocità, adoperando tre brevi tronchi di filo invece di uno solo, disposti secondo gli spigoli di una piramide isoscele, riscaldati elettricamente ed esposti alla corrente.

Se la direzione del vento forma angoli uguali coi tre fili, essi sono ugualmente raffreddati e quindi risultano uguali le resistenze ohmiche.

Metodi per la Misura della Resistenza dell'Aria

1. Apparecchi di caduta: Nel 1892 Cailletet e Colardeau eseguirono esperienze dal secondo piano della torre Eiffel. Il corpo, zavorrato per ottenere una prefissata velocità uniforme, veniva sospeso ad un filo che si svolgeva da tronchi di cono. Gustavo Eiffel riprese le esperienze nel 1903 con un apparecchio più grande e perfezionato.
2. Esperienze con locomotive e carrelli automobili: Le prime furono eseguite dal Duchemin verso il 1840 in acqua. Il milionario francese Henry Deutsch de la Meurthe fondò l'Istituto aerotecnico a Saint Cyr presso Parigi (1910), con un carrello elettrico capace di raggiungere la velocità di 90 km-ora.

In Francia il duca Grammont de Guiche eseguì (1911) varie serie di esperienze su superficie alari trasportate da una automobile in uno dei viali della sua villa. Tutte queste misure sono viziate da errori inerenti al metodo.

Il Costanzi nel 1919 sul campo sperimentale di Montecelio, predispose un aeroplano alle prove manometriche praticando piccoli fori sul dorso delle ali, sul ventre di queste e sulla superficie esterna della fusoliera; ciascuno di detti fori faceva capo ad una capsula manometrica che registrava su un cilindro affumicato le pressioni verificatesi nella regione nella quale sboccava il foro.

Esperienze a fini aeronautici in acqua furono condotte dal 1906 dal Crocco e proseguite dal Costanzi, sotto la direzione di quello, in una vasca Froude appositamente costruita a Roma presso la brigata specialisti. Il Crocco ebbe l'idea di adoperare questo mezzo d'indagine, introdotto dal Froude nel 1871 per scopi di architettura navale.

Moto Circolare (Maneggio o Molinello)

Consiste nel fare muovere il corpo intorno ad un asse a velocità diverse di rotazione, misurando la resistenza incontrata e la sua direzione. Il metodo è viziato dall'influenza del fenomeno di trascinamento del fluido messo in moto dal corpo stesso e specialmente dal suo supporto, dopo qualche giro, e dalle azioni centrifughe nell'aria.

Nel 1874 il Hagen determinò per questa via la resistenza al moto di piastre piane di varie dimensioni; i fratelli Lilienthal sperimentarono nei 1889 lamine piane e curve; il Langley, pure nel 1889, nell'osservatorio d'Allegheny in Pennsylvania, sperimentò anch'egli piastre di varie forme. Analoghe esperienze fecero il von Lossl nel 1891 e il Dines nel 1899, il Mannesmann pure nel 1899, il Reichel nel 1901, il col. Renard nel 1902.

Il Crocco applicò il metodo del maneggio in una vasca circolare ad acqua ed eseguì una lunga e notevole serie di esperienze per determinare i coefficienti delle sue formule sulla stabilità nel moto, in evoluzione, di modelli di dirigibili.

Metodo del Tunnel

Questo metodo cominciò ad essere adoperato in Italia nel 1903 dal Crocco: egli, per produrre la corrente necessaria, utilizzò un gassometro ad ossigeno: poté in questo impianto primitivo verificare la sua legge del rettangolo della velocità che formò uno degli elementi principali per le successive ricerche sue e di altri matematici nei riguardi delle leggi aerodinamiche della stabilità degli aerei.

Un tunnel fu costruito dallo Stanton (1903-1904) nel National Physical Laboratory in Inghilterra, con asse verticale e sezione quadrata di m. Altri furono costruiti dal Maxim, pure in Inghilterra, ad asse orizzontale ed a sezione quadrata di m. 0,52, e dal Riabušinsky.

Nel 1904 il Crocco costruiva un secondo tunnel a Roma a ventilatore centrifugo soffiante con camera di regolazione della corrente, a sezione quadrata di m. 0,80 di lato, ed un terzo tunnel nel 1909 pure a Roma, con ventilatore centrifugo soffiante a sezione quadrata di m. 2 di lato. In questo tunnel il Crocco ed il Costanzi condussero una serie di ricerche sistematiche sulle eliche.

Questo terzo impianto fu sostituito nel 1912 da un quarto tuttora in funzione a circuito chiuso (su brevetto Crocco): dall'epoca ora ricordata ad oggi l'attività di detto tunnel fu intensissima e diretta a fornire gli elementi di prova sperimentale sui modelli presentati dai costruttori di dirigibili e di aeroplani. Esso è costituito da un condotto cilindrico di m. 2 di diametro raccordato a due tronchi di cono, uno collettore della corrente d'aria, uno diffusore di questa: alla base del cono diffusore è situata un'elica che aspira aria e la ricaccia per due grandi condutture a sezione rettangolare verso il collettore. Nella parte cilindrica traversante una vasta sala hanno luogo le esperienze.

Lo stabilimento di ricerche aerodinamiche di Gottinga sorse per iniziativa della Motorluftschiff Studiengesellschaft nel 1909 sotto la direzione dell'ing. L'attuale tunnel Prandtl di Gottinga è un ingrandimento del precedente: ma il condotto di ritorno invece che allo stesso livello di quello di esperienza è al di sotto di questo. La vena fluida circolare con m. 2,25 di diametro e 50 m/sec.

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